TWI361561B - Variable gain amplifier - Google Patents

Description

1361561 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於可變增益放大器（variable gain amplifier，簡稱 VGA),特另丨J 有關於 dB 線性(linear-in-dB) 可變增益放大器。 【先前技術】 第1圖為dB線性可變增益放大器之特性示意圖。

籲在第1圖中，縱軸（vertical axis)表示dB線性可變增益放 大器之dB級增益’水平轴（horizontal axis)表示dB線性 可變增益放大器之伏特級控制電壓。dB線性可變增益放 大器之增益可以表示為&&/(Fe@=4 ‘ 。通常dB 線性可變增益放大器裝置為自動增益控制（automatic gain control，簡稱 AGC)，以及在無線收發器（transceivers) 中之功率控制，硬碟讀取通道晶片中之自動增益控制， 用於高速電纜/光接收器中之類比適應濾波器（analog adaptive filter)/等化器，最大可能局部響應 (partial-response most-likelihood，PRML)讀取通道晶片’ 基於脈衝之超寬頻（ultra wide band)接收器。 由於雙極元件之電流至電壓關係為指數關係，不難 • 設計出利用雙極方法之dB線性可變增益放大器。然而’ 電晶體元件之電流為偏置電壓（bias voltage)之平方函數 (square function)。所以，比較難設計出利用互補型金氧 半（CMOS)方法之dB線性可變增益放大器。 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 5 1361561 【發明内容】 為了解決以上技術問題，本發明特提出一種可變增 益放大器。 本發明之實施例提出本發明涉及一種可變增益放大 器，該可變增益放大器具有與控制電壓成指數關係之增 益，包含指數直流轉換器，用以接收控制電壓以及產生 指數電壓，指數電壓與控制電壓成指數關係；以及線性 電壓倍增器，耦接至指數直流轉換器，具有與指數直流 轉換器之指數電壓成指數關係之增益。 上述可變增益放大器可提供與控制電壓成指數關係 之增益。而且上述可變增益放大器可以是dB線性可變增 益放大器，並且可以利用互補型金氧半方法而輕易實現。 【實施方式】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式， 作詳細說明如下： 第2A圖為根據本發明實施例之dB線性 (linear-in-dB)之可變增益放大器之方塊圖。dB線性可變 增益放大器100具有一增益與控制電壓Vctrl成指數關 係，且包含指數直流轉換器（exponential DC converter)l 10，以及線性電壓倍增器（linear voltage multiplier)120。指數直流轉換器110接收控制電壓Vctrl 並產生指數電壓Vexp，指數電壓Vexp與控制電壓VetH成 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 6 1361561 指數關係。線性電壓倍增器120耦接至指數直流轉換器 110,並具有一與指數直流轉換器110之指數電壓vexp* 指數關係之增益。線性電壓倍增器120之增益等於dB線 性可變增益放大器100之增益。更具體的說，線性電壓 倍增器120可以是吉伯特型（Gilbert-type)或是電流導引 型（current-steering type)電壓倍增器。 在第2A圖中，指數直流轉換器110包含平方律電 路（square law circuit) 111 以及電流分割器（current divider)113。平方律電路111接收控制電壓Vetd，並產生 第一電流II以及第二電流12以及產生指數電壓Vexp。第 一電流II以及第二電流12之電流比率11/ 12與控制電壓 Vctrl成比例。除此之外，指數電壓Vexp與第一電流II以 及第二電流12之電流比率11/ 12成比例。除此之外，電 壓緩衝器121，位準偏移器123或是單端至差動轉換器 125耦接於指數直流轉換器110與線性電壓倍增器120之 間，具體可分別參考第2B圖，第2C圖以及第2D圖。 具體的說，平方律電路111包含差動控制電壓產生 器以及差動電路，差動電路耦接於差動控制電壓產生 器。第3A圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動控 制電壓產生器之示意圖。差動控制電壓產生器300包含 差動放大器310以及電阻對R1以及R2。差動放大器310 之反相輸入（inverting input)311以及正相輸入31Γ藉由電 阻R1分別接收控制電壓Vetrl以及參考電壓Vref。差動放 大器310之反相輸入311以及正相輸入31 Γ藉由電阻R2 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 7 1361561 分別搞接於正相輸出313以及反向輪出313'。差動控制 電壓產生器300分別於差動放大器310之正相輸出313 以及反相輸出313'產生差動控制電壓v〇+Vx以及 Vo-Vx。第3B圖為差動控制電壓產生器300之特徵示意 圖。縱轴表示差動控制電壓Vo+Vx以及Vo-Vx之電壓 位準，水平軸表示控制電壓Vctrl之電壓位準。在第3B圖 中，當控制電壓Vctrl等於參考電壓Vref時，差動控制電 壓均等於Vo。

第3C圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 電路之示意圖。差動電路320耦接於供電電壓（supply voltage)Vdd與接地GND之間。差動電路320之每一半電 路321/32Γ包含N通道金氧半電晶體(NMOS)Ml/M2，電 流鏡（current mirror)330/330f以及電流源I。。在差動電路 320之每一半電路321/32Γ中，電流鏡330/33(T耦接於N 通道金氧半電晶體Μ1/Μ2之汲極325/325、除此之外， 電流源I。也耦接於Ν通道金氧半電晶體Μ1/Μ2之汲極 325/325〜因此’電流鏡330/33(Τ根據Ν通道金氧半電晶 體電流Ιμι/Ιμ2以及來自電流源I。之電流產生輸出電流 11/12。Ν通道金氧半電晶體電流以及ιΜ2可分別表示 Α !μχ = \κ{ν〇 + νχ-ν,„γ j =LK(y〇-Vx-Vlh)2 ., 為 2 以及 2、 ^ ， 其中 ^βοχ^Τγ)\,2

K 其中Vth，以及表示k的參數均為電晶體之 特性’任何熟悉此項技藝者應能了觯其含意，故不贅述。 所以’輸出電流II β及12之間之比率可以表示為 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 8 1361561 ^I^^UaVXf k=__2I0 JU2+I0 k + {\-aVxf F ，其中 K(Vo-Vth)2 以反 a = -J_ 八

Vo-Vth 〇 具體的說，電流分割器113包含電流至電壓轉換器410 以及電壓控制電阻420，電壓控制電阻420耦接至電流至 電壓轉換器410並由其控制，如第4A圖所示。第4B圖 為第4A圖中之電壓控制電阻420之電路示意圖。在第 4B圖中，N通道金氧半電晶體T2以及M4以及P通道金 ® 氧半電晶體M6疊接（cascoded)於供電電壓Vdd與接地 GND之間，且金氧半電晶體M6之汲極與金氧半電晶體 M4之閘極連接。除此之外，N通道金氧半電晶體T1以 及M3以及p通道金氧半電晶體M5疊接於供電電壓Vdd 與接地GND之間，且金氧半電晶體M5之閘極與金氧半 電晶體M3之汲極連接。N通道金氧半電晶體M4以及P 通道金氧半電晶體M5為等效二極體（diode-connected)。！》 • 通道金氧半電晶體M5以及M6之閘極相連以及N通道金 氧半電晶體M3以及M4之閘極相連。P通道金氧半電晶 體M5以及]vi6操作於飽和（saturation)模式且電流鏡之比 率為1。N通道金氧半電晶體M3以及M4也操作於飽和 模式以保證VGS4=VGS3，以致Vs4=Vs3以使得 • Vds2=Vds1，其中VGS表示電晶體閘極與源極之間的電 壓’則VGS4表示電晶體M4閘極與源極之間的電壓，Vs 表示電晶體源極電壓，Vs4表示電晶體M4源極電壓，VDS 表示電晶體汲極與源極之間的電壓，VDS2表示電晶體 M2汲極與源極之間的電壓，其他依此類推。n通道金氧 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 9 1361561 半電晶體T1以及T2操作於三極區（triode region)。N通 道金氧半電晶體T1以及T2之電流可以分別表示為 in = ^(2(^ι - vCND - vTjvDSi - vDSi2) = h +1, = ^(2(^2 - vcm - vTn2)vDS2 - vDS22) w 工从命沽 m 2 。從刖面的電流等式可 得知4 = A ^052，其中V<3表示閘極電壓。 第4C圖為第4Α圖中之電流至電壓轉換器410之電 路圖。電流至電壓轉換器410包含Ρ通道金氧半電晶體

Μ7以及Μ8疊接於供電電壓Vdd與接地GND之間，金氧

半電晶體M7之閘極與金氧半電晶體M8之源極連接。P 通道金氧半電晶體M7以及M8相同，匹配且為等效二極 體。除此之外，P通道金氧半電晶體M8之閘極接地。如 果Vds8表不為

之電流可以分別表示為 P通道金氧半電晶體M7以及M8 i,=\k(vG51-v^ = 1-k(^-vy-v^ h =jK(VGSS - νιΗγ + Vr- VJ2 從之前之Ρ通道金氧半電

晶體 Μ7 以及 Μ8 之電流等式可以得知 DD ' /0=/8-/7=π·(心以及匕=(%—1

當電流至電壓轉換器410以及電壓控制電阻結合後 ，可以構建如第4Α圖所示之電流分割器。在第4Α圖中 ，N通道金氧半電晶體T1之閘極連接於兩等效二極體P

^OD 通道金氧半電晶體之間，因此閘極電壓等於I。除此之 外，N通道金氧半電晶體T2之閘極連接於P通道金氧半 T, Kp(VDD-2Vth) /, 電晶體M8之汲極。所以，可以得到 /2。換 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 10 1361561 句話說，VDS2可以用作與電流比率I1/I2成比例之指數電 壓。 本發明提供dB線性可變增益放大器之結構。利用 此結構，dB線性可變增益放大器可以利用互補型金氧半 (CMOS)方法而輕易實現。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可做些許更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖為dB線性VGA之特性示意圖。 第2A圖為根據本發明實施例之dB線性之可變增益 放大器之方塊圖。 第2B圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第2C圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第2D圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第3A圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 控制電壓產生器之示意圖。 第3B圖為差動控制電壓產生器300之特徵示意圖。 第3C圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 11 1361561 電路之不意圖。 第4A圖為本發明實施例之電流分割器之電路示意 圖。 第4B圖為第4A圖中之電壓控制電阻420之電路示 意圖。 第4C圖為第4A圖中之電流至電壓轉換器410之電 路圖。

【主元件符號說明】 100〜dB為線性可變增益放大器； 113〜電流分割器； 120〜線性電壓倍增器； 123〜位準偏移器； 311〜反相輸入； 313〜正相輸出； 310〜差動放大器； 321/32Γ〜電路； 325/325^ 汲極； 420〜電壓控制電阻。 111〜平方律電路； 110〜指數直流轉換器； 121〜電壓緩衝器； 125〜差動轉換器； 300〜差動控制電壓產生器； 311 正相輸入， 313^反相輸出； 320〜差動電路； 330/330'〜電流鏡； 410〜電流至電壓轉換器； 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 12

Claims (1)

1361561 - •'第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4曰修正替換頁 十、申請專利範圍： 1. 一種可變增益放大器，該可變增益放大器具有與一 控制電壓成指數關係之增益，該可變增益放大器包含： 一指數直流轉換器，用以接收該控制電壓以及產生一 指數電壓，該指數電壓與該控制電壓成指數關係；以及 一線性電壓倍增器，耦接至該指數直流轉換器，具有 ' 與該指數直流轉換器之該指數電壓成指數關係之增益，其 中該指數直流轉換器包含： 一平方律電路，用以接收該控制電壓並產生一第一電 流以及一第二電流；以及 一電流分割器，用以接收該第一以及第二電流，並產 生該指數電壓； 其中，該第一電流以及該第二電流之間一電流比率與 該控制電壓成指數關係，且該指數電壓與該第一電流以及 該第二電流之間該電流比率成比例。 2. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，更 包含一電壓緩衝器，一位準偏移器或是一單端至差動轉換 器，耦接於該指數直流轉換器以及該線性電壓倍增器之間。 3. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其 中該線性電壓倍增器為吉’伯特型或是電流導引型電壓倍增 器。 4. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其 中該平方律電路包括： 一差動控制電壓產生器，用以根據該控制電壓以及一 0758D-A33209TWFI (20111109) 13 1361561 -； 第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4日修正替換頁 參考電壓而產生一差動控制電壓對；以及 一差動電路，耦接至該差動控制電壓產生器，用以根 據該差動控制電壓對而產生該第一以及第二電流。 5. 如申請專利範圍第4項所述的可變增益放大器，其 中當該控制電壓相同於該參考電壓時，該等差動控制電壓 彼此相等。 6. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器，其 中該電流分割器包括： 一電流至電壓轉換器，用以產生對應於該第二電流之 一電壓；以及 一電壓控制電阻，耦接至該電流至電壓轉換器，用以 根據該第一電流以及對應於該第二電流之該電壓而產生該 指數電壓。 7. —種可變增益放大器，該可變增益放大器具有與一 控制電壓成指數關係之增益，該可變增益放大器包含、 一指數直流轉換器，用以根據一第一電流以及一第二 電流而產生一指數電壓，其中該指數電壓與該控制電壓成 指數關係，以及該第一電流以及該第二電流之間一電流比 率與該控制電壓成指數關係，其中該指數直流轉換器包含： 一平方律電路，用以接收該控制電壓並產生該第一電 流以及該第二電流；以及 一電流分割器，耦接至該平方律電路，用以接收該第 一以及第二電流，並產生該指數電壓；以及 一線性電壓倍增器，耦接至該指數直流轉換器，具有 0758D-A332〇9TWFH201in〇9) 14 I36L561 - •'第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4日修正替換頁 與該指數直流轉換器之該指數電壓成指數關係之增益。 8. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，更 包含一電壓緩衝器，一位準偏移器或是一單端至差動轉換 器，耦接於該指數直流轉換器以及該線性電壓倍增器之間。 9. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其 中該線性電壓倍增器為吉伯特型或是電流導引型電壓倍增 器。 10. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其 中該指數電壓與該第一電流以及該第二電流之間該電流比 率成比例。 11. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其 中該平方律電路包括： 一差動控制電壓產生器，用以根據該控制電壓以及一 參考電壓而產生一差動控制電壓對；以及 一差動電路，耦I接至該差動控制電壓產生器，用以根 據該差動控制電壓對而產生該第一以及第二電流。 12. 如申請專利範圍第11項所述的可變增益放大器， 其中當該控制電壓相同於該參考電壓時，該等差動控制電 壓彼此相等。 13. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器，其 中該電流分割器包括： 一電流至電壓轉換器，用以產生對應於該第二電流之 一電壓；以及 一電壓控制電阻，耦接至該電流至電壓轉換器，用以 0758D*A33209TWFH20111109) 15 1361561 - 第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4曰修正替換頁 根據該第一電流以及對應於該第二電流之該電壓而產生該 指數電壓。 0758D-A33209TWF1 (20111109) 16